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由菠菜衍生的燃料電池催化劑
以菠菜為基礎的催化劑可以比傳統的鉑催化劑更有效地為燃料電池提供動力。當研究團隊決定在自己的概念驗證實驗中使用菠菜來製造一種富碳催化劑﹐進而幫助改善燃料電池的性能時。更重要的是﹐實驗的結果並沒有讓他們失望。
具體來說﹐菠菜在實驗中被用來當作燃料電池中氧還原反應(ORRs)所需的高性能催化劑的前體。相比之下﹐傳統燃料電池使用的是鉑基催化劑﹐但鉑十分稀缺﹐成本昂貴﹐而且在某些條件下容易發生化學中毒。因此﹐研究人員研究了生物衍生的碳基催化劑來取代鉑﹐不過﹐在製備材料的成本效益和無毒化方面存在瓶頸。
菠菜的鐵和氮含量很高﹐且能夠輕鬆買到實驗所需的材料(菠菜)。這正是現階段所需要的﹐儘管在製作過程中﹐菠菜中含有的氮會流失一部分﹐但菠菜易於種植﹐比鉑要便宜得多。當然﹐這並不是研究人員第一個發現菠菜的電化學奇蹟的人。在此之前﹐其他研究已經曾將這種綠葉蔬菜用於其他用途。例如﹐2014年的一項研究從菠菜中提取活性炭來製造電容器電極﹐而最近的一篇論文將菠菜基奈米複合材料做為光催化劑。
製備菠菜催化劑的步驟和製作奶昔有點類似﹐首先將新鮮的葉子洗淨﹐然後磨成汁﹐冷凍乾燥。將這種凍乾的果汁磨成粉末﹐再加入三聚氰胺做為氮促進劑﹐同時還要加入氯化鈉和氯化鉀﹐幫助形成小孔增加反應的表面積。最終的奈米薄片是由菠菜-三聚氰胺-鹽複合材料在攝氏900度下經過幾次熱解而製成的。不過﹐這個流程日後還會進行優化﹐變得更高效。
一個有效的催化劑意味著一個更快的反應。就燃料電池而言﹐這可以增加電池的能量輸出──這正是奈米薄片的多孔性起作用的地方﹐氧氣可以穿透材料﹐而不是只停留在外表面。研究人員對菠菜青睞有加的另一個因素是﹐菠菜是一種可再生的生物質資源。可持續發展是我們考慮的一個非常重要的因素﹐而且﹐我們希望避免與餐桌「競爭」菠菜。另外﹐我們也正在想辦法解決催化劑製備過程中產生的碳足跡的問題﹐因為目前我們在製備過程中使用高溫。如果我們能找到不同的方法來實現這一點﹐進而獲得相同類型的材料﹐這將減少能源消耗﹐並顯著減少碳足跡。
利用菠菜來提升燃料電池的性能﹐這聽起來振奮人心﹐但實際上還有很長的路要走﹐因為到目前為止﹐這項研究只是一個原則性的證明。
在談到實際應用時﹐我們需要非常小心﹐因為在實驗室條件下表現出色的東西﹐可能會在實際應用中遇到挑戰。另一個需要進一步研究的方面是﹐儘管菠菜衍生的催化劑在鹼性條件下的性能優於鉑基催化劑﹐但在酸性介質中的性能就沒有那麼高效了。所以﹐研究人員還要對這個路線進行調整。
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